2.1. 실험체 형상 및 제원

본 연구에서 고려한 파형강판의 제원 및 실험체의 연결 조건은 Fig. 3에 나타내었다. 실험체는 골간격과 깊이가 400×150mm인 파형을 갖고 있으며, 길이 1,012mm, 폭 1200mm 제원의 두 개의 파형강판을 ^{ASTM A761 (2003)}과 ^{AISI (2002)}에 따 라 3열로 볼트이음하였다. 하중재하시의 변위 및 이음부의 변형을 측정하기 위하여 실험체 중앙부에 변위계를 설치하 였으며, 볼트구멍 주위에서의 강판 국부변형을 측정하기 위 하여 Fig. 3에 도시한 것과 같이 강판의 인장부 (Valley)와 압축부 (Crest) 파형 볼트구멍 주위에 주응력 방향으로 변형 율 게이지를 설치하였다. 강판의 재질 및 실험체 단면 특성 은 Table 1에 나타내었으며, 볼트의 역학적 성질은 ^{AISI (2002)}에 제시되어 있으며, Table 2에 정리하였다.

Fig 3.

Configuration and detailing of connected corrugated steel plates

파형강판 이음부의 연결상세에 따른 정적거동 특성을 평 가하기 위하여 Table 3의 변수에 대하여 정적 휨실험을 수행 하였다. 강판 두께는 6mm와 7mm에 대하여 19mm 볼트 체 결시 강판사이의 국부압력 분산과 시공시 효율성 등을 위하 여 와셔, 개스킷 및 슬롯홀을 사용한 경우의 거동을 같이 분 석하였으며, 22m 볼트 체결시의 휨 성능도 같이 평가하였다.

하중재하는 1,000kN 용량의 액츄에이터 (Actuator)를 사 용하여 Fig. 4에 나타낸 것과 같이 변위제어방식의 4점 휨재 하를 실시하였으며, 하중가력점 사이의 거리는 515mm로 고 정하였다. 하중재하시 지점과 가력점은 강판에 응력이 충분히 분배될 수 있도록 강판과 동일한 형태를 갖도록 제작하였다.

Fig 4.

Test setup and loading apparatus

2.2. 실험결과 및 고찰

파형강판 이음부의 기준강도를 평가하기 위하여 Table 1 과 2의 재료성질을 적용하여 국부좌굴 등을 고려하지 않고 M=f ∙ z 적용하여 실험체의 이론적인 항복강도와 극한 강도를 평가하였으며, 단위폭 (m)당 하중으로 환산하여 Table 4에 정리하였다. Table 4의 극한 강도는 인장강도와 단면소성계수를 적용하여 전단면이 소성상태일때의 이론적 인 최대강도를 평가한 것이다. 여기서, f 는 항복강도 및 인 장강도이며, Z는 단면계수 또는 소성단면계수를 적용하였다. 볼트연결부의 파괴강도는 ^{AASHTO-LRFD (2002)} 기준에 따라 다음의 식으로 평가하였다. 볼트 파괴 해석시 인장력과 압축력에 대한 연결볼트는 각각 9개와 12개로 가정하여 위 험단면인 인장력에 대한 이론하중을 산정하였다.

여기서, N_s: 전단면의 수, f_υup: 볼트의 최소인장강도, A_b: 볼트 공친단면적, f_u: 강판의 인장강도, d: 벌트의 공칭 직경, t : 강판의 두께, L_c: 지압력이 작용하는 방향의 부재 단부와 볼트구멍 사이의 순간격, s: 볼트구멍사이의 순간격

실험결과 이론적 파괴형태는 강판의 두께와 볼트의 직경 에 관계없이 강판의 휨파괴가 먼저 발생하였다. 최종적인 파 괴형태의 경우에는 두께 6mm강판의 경우에는 휨파괴강도 이후 볼트의 지압에 의하여 부재가 파괴되는 것으로 나타났 으나, 7mm강판의 경우에는 19mm 볼트 사용시 극한강도이 후에 볼트 전단과 지압이 거의 동시에 발생하는 것으로 계산 되었다. 실험후 파괴형태는 Fig. 5에 도시하였으며, Fig. 6과 Table 5에는 하중-변위관계와 결과를 정리하였다. 인장부 볼 트의 지압파괴후 압축부의 국부좌굴에 의하여 최종적인 파 괴에 도달하였으며, 최대강도 이후 연성적인 파괴거동을 나 타내었다.

Fig 5.

Typical failure pattern under static loading

Table 5에 나타낸 것과 같이 무이음된 강판의 실험 극한강 도는 각각 평균 663.9kN/m와 806.5kN/m로 평가되었으며, 소성단면에 대한 이론적 극한강도를 약 10% 정도 상회하는 것으로 분석되었다.

볼트이음실험체에서 7-22mm와 7t-22mm을 제외한 실험체 는 모두 19mm 볼트로 이음하였으며, 상세에 따라 볼트만을 연결한 경우 (6t-19mm, 7t-19mm)와 gasket, slot hole 또는 washer를 적용한 경우로 구분하였다.

볼트 이음된 실험체의 평균 극한강도의 경우에는 무이음 판의 76.8~85.8%의 휨강도를 나타내었으나, 이음방법에 관 계없이 휨항복강도의 123%이상을 확보한 것으로 나타나 이 음부 휨강도는 충분한 것으로 판단된다. Table 5의 실험체 평균 최대응력은 소성단면계수로부터 산정된 것으로 이음실 험체의 경우 강판 극한강도의 90%이상 응력이 발생하는 것 으로 관찰되어 강도측면에서 연결부의 적정성은 충분한 것 으로 판단된다.

극한강도의 50%하중에서의 변위비 (deflection ratio)를 초 기 강성 P u 2 △ 으로 정의하여 볼트 연결부의 미끄러짐 등에 의한 강성의 저하 정도를 평가하였다. 전체적으로 이음방법 에 따른 강성저하의 차이는 크지 않았으나, 무이음판에 비하 여 30.2~40.7% 정도의 초기강성저하 현상이 발생하는 것으 로 나타났다. 이는 볼트구멍의 여유분과 볼트 및 강판의 지 압응력에 의한 국부변형에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 6에는 무이음판과 볼트이음 실험체의 하중-변위 관계 를 도시하였으며, 모든 실험체가 극한강도 이후에도 충분히 연성적인 거동을 하는 것으로 관찰되었다. 변위의 경우 무이 음된 6mm와 7mm 파형강판의 이론 항복강도에서의 탄성변 위는 약 16mm내외로 계산되었으나, 이음부 실험체의 변위 는 약 30mm로 볼트 이음부의 변형에 기인한 것으로 판단되 며, 하중-변위곡선에서 초기 변위를 제외하면 이론값의 거의 유사하게 나타난 것을 알 수 있다.

Fig 6.

Load-deflection relationships of 6 and 7mm plate specimens

Fig. 6에 나타낸 것과 같이 모든 실험체가 구조적 항복이 후 볼트연결부 주위에서 강판의 지압파괴와 파형 상부에 국 부 좌굴이 발생하였으며, 볼트 전단에 의한 취성 파괴는 발 생하지 않았다. 정적 실험을 통하여 강판 이음부의 휨강도는 볼트 직경의 영향이 상대적으로 큰 것으로 나타났으며, 개스 킷, 슬롯홀 또는 와셔를 적용할 경우에는 응력집중 등에 의 한 강도저하가 발생할 수 있는 것으로 관찰되었다.

Fig. 7에는 파형강판 인장부의 볼트구멍 외측에 설치한 gage1의 변형을 나타낸 것이며, 하중-변형율의 변화는 거의 유사한 것으로 나타났으나, 볼트로만 연결된 실험체 (6t-19, 6t-22, 7t-19와 7t-22)의 경우에는 일정하중 이후 지압변형이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 볼트의 풀림 등에 의하여 국부적인 지압변형이 감소되었기 때문인 것으로 판단되며, 와셔, 개스킷 및 슬롯홀의 경우에는 최종 파단시까지 변형율 이 지속적으로 증가함으로서 파괴시까지 충분한 체결력을 유지하는 것으로 판단된다.

Fig 7.

Load-strain relationships of 6 and 7mm plate specimens at the gage 1

3.1. 반복하중 수준

정적 실험결과로부터 피로실험 변수와 반복하중의 수준을 Table 6과 같으며, 하중은 조화하중의 형태로 1Hz의 속도로 가력하였다. 두께 6mm 강판의 경우에는 연결부 상세에 따 른 영향을 보기 위하여 볼트만 연결한 경우와 와셔와 슬롯홀 을 적용한 경우를 대상으로 하였고, 가스킷의 경우에는 정적 실험의 결과 강도가 낮게 나타났기 때문에 제외하였다. 두께 7mm강판의 경우에는 이음부 상세에 대한 하중 수준을 변화 시켜 실험을 수행하였으며, 직경 22mm 볼트의 경우에는 19mm 볼트의 최저하중 수준시의 피로거동과 비교, 검토하 고자 하였다.

3.2. 피로파괴형태

Fig. 8에는 최종피로파괴형태를 나타내었으며, 각 실험체 의 하중반복횟수와 파괴형상의 변화는 Table 7에 정리하였 다. 실험체의 대표적인 파괴 형태는 볼트구멍에서의 지압파 괴후 볼트 파단과 강판의 인장피로파단에 의하여 최종적으 로 파괴되었다.

Fig 8.

Typical fatigue failure patterns of bolt connected corrugated steel plates

Fig. 8에 나타낸 것과 같이 이음부 하면의 강판은 인장파 괴가 발생하지 않은 반면 상부 강판 이음부의 내측 볼트구멍 에서 발생한 피로인장균열에 의해 파괴되었다. 와셔를 적용 한 9-19W-109의 경우, 하면 강판 외측부 볼트구멍의 지압파 괴후 강판 찢김에 의한 국부 파괴가 발생한 것으로 관찰되었다.

동일한 하중수준으로 슬롯홀 (6-19S-109)과 와셔 (6-19W-109) 가 적용된 실험체의 파괴는 19mm 볼트만 체결된 6-19-109 실험체와 비교하여 정적강도는 유사하거나 약간 높았으나, 피로수명은 볼트만 체결한 경우의 약 67%로 감소하여 피로 수명 측면에서는 슬롯홀과 와셔가 적절하지 않은 것으로 판 단된다.

Fig. 9에는 각 실험체의 파괴 전 단계에서 측정된 실험체 종방향 피로변위형상을 나타내었다. 볼트 파괴가 발생하지 않는 이상적인 경우의 변위형상은 가력점 사이 중앙부의 변 형이 완만하게 변화되는 것이 일반적이나, 최종적으로 볼트 파 단이 발생한 실험체의 경우에는 1/3부분과 중앙부 변위가 직선 이거나 기울기가 증가하는 것으로 나타났다. 특히 7-19-202, 7-19-336과 7-19-381 실험체의 경우에는 Fig. 10(b)에 나타 낸 것과 같이 면외휨에 의한 볼트회전과 함께 볼트에 전단 및 인장력이 발생하여 볼트의 복합파괴에 이르게 되는 것으 로 판단된다.

Fig 9.

Deflection shape of fatigue specimens at failure stage

Fig 10.

Internal forces and deflection of bolts by external flexural loading

이와 같은 복합파괴를 제어하기 위해서는 ^{Abdel-Sayed and Bakht (1993)}이 제시한 것과 같이 인장응력이 발생하는 위치 (Valley)의 볼트를 강판내측으로 설치하는 것이 좋으나, ^{AISI (2002)}, ^{ASTM A761 (2003)}과 ^{A796 (2001)}에서는 대 골형 파형강판 이음부에 대하여 Fig. 10에 나타낸 것과 같이 Crest와 Valley에 각 3개씩 설치하도록 규정하고 있기 때문 에 구조물 시공시 볼트연결부를 활하중에 의한 휨응력이 작 게 발생하는 위치에 설치하는 것이 필요한 것으로 판단된다.

Fig. 11에는 하중반복횟수별 실험체 중앙부의 최대누적변 위와 변형율 변화를 도시하였다. 반복응력 수준이 높은 7-19-336과 7-19-381 실험체를 제외하고 초기 처짐과 변형 율이 일정 반복횟수까지 거의 변화하지 않는 것으로 나타났 으며, 6-19W-109와 6-19-164의 경우와 같이 피로파괴단계 에 도달하면서 처짐과 변위가 급격히 증가하는 것으로 관찰 되었다. 변위 및 변형율이 증가하는 시점에서 강판의 지압과 볼트의 파괴가 발생한 것으로 판단된다.

Fig 11.

Maximum cumulative deflection and strain variation according to the repeated cyclic loading at the mid point

Fig. 12에는 실험결과로부터 도출된 볼트이음과 파형강판 실험체의 S-N관계를 도시하였다. 두께 6mm 실험체의 경우 에는 연결상세에 대한 결과를 고려하지 않았으며, 7mm 실 험체는 22mm 볼트에 대한 영향을 고려하지 않았다. 실험결 과에 의한 주부재에 대한 설계기준상의 설계응력 반복횟수 200만회에서의 실험적인 피로한계는 85.5MPa과 88.5MPa로 예측되어 강판두께의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 따 라서 현재의 ^{CSA-S6 (2006)} 및 ^{AISI (2002)} 등의 설계기준 에서 제시하고 있는 볼트연결 갯수를 적용할 경우 강판의 두 께 및 볼트의 직경 등에 관계없이 응력수준에 따른 피로등급 범주에 따라 단순화된 피로설계가 가능할 것으로 판단된다.

Fig 12.

S-N relationship of bolt connected corrugated steel plate

Fig. 13에는 순수축응력을 받는 경우의 볼트 연결부에 대 하여 ^{AASHTO LRFD (2002)}와 ^{CSA-S6 (2006)}에서 제시 하고 있는 연결상세별 S-N관계에 실험결과를 도시하였다. 제한된 실험결과에 의한 것이나, 전체적으로 볼트 연결된 파 형강판 이음부의 피로수명은 범주 D의 수명과 유사한 것으 로 판단되며, 이를 그대로 적용할 경우 일정진폭에 대한 피 로한계는 48.3MPa정도인 것으로 예측된다.